[논문 리뷰] Safety Analysis Methods for Complex Systems in Aviation

Ítalo Romani de Oliveira, Jose Alexandre Tavares Guerreiro Fregnani외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 03.

Safety Systems Engineering in Autonomy인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 현재 산업 표준인 ARP4754를 초월하여 무인 항공기(UAS) 및 지상 항공교통통제체계(GBAS)와 같은 고도로 자동화되고 상호연결된 항공 시스템의 안전성을 평가하기 위한 고도화된 안전 분석 방법을 제안한다. 시스템 사고방식, 형식적 방법, 모델기반 안전 분석을 통합함으로써 저자들은 초기 단계에서의 안전 검증이 돌연변이 기술의 개발 비용과 사고 위험을 줄이는 데 어떻게 기여할 수 있는지 보여준다.

ABSTRACT

Each new concept of operation and equipment generation in aviation becomes more automated, integrated and interconnected. In the case of Unmanned Aircraft Systems (UAS), this evolution allows drastically decreasing aircraft weight and operational cost, but these benefits are also realized in highly automated manned aircraft and ground Air Traffic Control (ATC) systems. The downside of these advances is overwhelmingly more complex software and hardware, making it harder to identify potential failure paths. Although there are mandatory certification processes based on broadly accepted standards, such as ARP4754 and its family, ESARR 4 and others, these standards do not allow proof or disproof of safety of disruptive technology changes, such as GBAS Precision Approaches, Autonomous UAS, aircraft self-separation and others. In order to leverage the introduction of such concepts, it is necessary to develop solid knowledge on the foundations of safety in complex systems and use this knowledge to elaborate sound demonstrations of either safety or unsafety of new system designs. These demonstrations at early design stages will help reducing costs both on development of new technology as well as reducing the risk of such technology causing accidents when in use. This paper presents some safety analysis methods which are not in the industry standards but which we identify as having benefits for analyzing safety of advanced technological concepts in aviation.

연구 동기 및 목표

• 무인 항공기와 지상 항공교통통제체계를 포함한 자동화되고 상호연결된 항공 시스템의 복잡성 증가에 대응한다.
• ARP4754 및 ESARR 4와 같은 기존 인증 기준의 한계를 규명하며, 이는 돌연변이 기술에 대해 안전성을 확실히 증명하거나 반증할 수 없다.
• 다음 세대 항공 개념을 위한 엄격한 초기 단계 안전성 입증을 지원하는 기초적인 안전 분석 기법을 개발하고 주장한다.
• 고도로 자동화된 시스템의 초기 설계 단계에서 강력한 안전 검증을 가능하게 함으로써 개발 비용과 사고 위험을 감소시킨다.
• 이론적 안전 원칙과 실무 적용 사이의 격차를 체계적인 방법론 프레임워크를 통해 메우며, 신규 항공 기술에 대한 적용 가능성을 높인다.

제안 방법

• 복잡한 항공 시스템의 하드웨어, 소프트웨어 및 운영 도메인 간의 상호작용을 모델링하기 위해 시스템 사고방식을 통합한다.
• 실패 경로를 체계적으로 식별하고 안전 성질을 검증하기 위해 형식적 방법과 모델기반 안전 분석(MBSA)을 적용한다.
• 시스템 간 상호작용 모델링을 통합한 비율적 위험 평가(PRA) 및 고장수목분석(FTA)을 활용하여 통합적 안전 평가를 수행한다.
• 자율 UAS 및 항공기 자가분리와 같은 새로운 운영 개념에서의 안전성을 평가하기 위해 시나리오 기반 분석을 활용한다.
• 초기 설계 단계에서의 안전성 입증과 비안전성 탐지에 기여하기 위해 정성적 및 정량적 기법을 융합한다.
• 실제 제약 조건을 반영하기 위해 항공 운영 및 인증 관행에서의 도메인 전문 지식을 활용하여 안전 분석을 실질적 기반에 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 ARP4754 및 ESARR 4를 초월한 안전 분석 방법을 개발하여 돌연변이 항공 기술을 검증할 수 있는가?
• RQ2 고도로 통합되고 자동화된 항공 시스템에서 실패 경로를 식별하기 위한 체계적인 접근 방식은 무엇인가?
• RQ3 초기 단계에서의 안전성 입증은 고도로 발전된 항공 시스템의 개발 비용과 사고 위험을 어떻게 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 형식적 및 모델기반 방법은 복잡한 시스템에서 안전 검증의 엄밀성과 추적 가능성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 시나리오 기반 분석과 시스템 간 상호작용 모델링은 자율 UAS 및 GBAS와 같은 새로운 개념의 안전성 평가에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제안된 안전 분석 방법은 현재 기준만으로는 불가능한, 고도로 복잡하고 자동화된 항공 시스템의 안전성 평가를 더 엄격한 기반으로 제공한다.
• 모델기반 안전 분석은 실패 경로의 조기 탐지가 가능하게 하여, 후기 설계 변경의 비용과 위험을 감소시킨다.
• 형식적 방법은 특히 고도로 통합된 소프트웨어 및 하드웨어 시스템에서 안전성 주장의 추적 가능성과 검증 가능성을 향상시킨다.
• 시나리오 기반 분석은 자율 UAS 및 자가분리와 같은 새로운 개념에서의 운영 복잡성과 극단 케이스를 효과적으로 반영한다.
• 안전 분석에 시스템 사고방식을 통합함으로써 시스템 구성 요소 간의 비선형 행동과 상호의존성을 더 잘 식별할 수 있다.
• 이러한 방법을 활용한 초기 단계 안전 검증은 개발 비용과 운영 배치 시 사고 위험을 모두 감소시킨다.